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표제지

목차

논문요약 10

1. 서론 12

2. 이론 14

2-1. 탄소나노튜브(CNT) 개요 14

2-2. 탄소나노튜브 구조 16

2-2-1. 탄소나노튜브의 구조 16

2-2-2. 탄소나노튜브의 원자구조 20

2-3. 박막트랜지스터(Thin Film Transistor) 구조와 동작원리 26

3. 실험 28

3-1. 박막트랜지스터 소자 준비 28

3-2. 단층벽 탄소나노튜브(SWCNT) 반도체성 잉크 제조 30

3-3. 잉크젯 프린팅 방법을 이용한 박막트랜지스터 제작 33

3-4. 스프레이 코팅 방법을 이용한 박막트랜지스터 제작 37

3-5. 금속성/반도체성 SWCNT 분리 38

3-5-1. Column chromatography를 이용한 SWCNT 분리 38

3-5-2. Agarose gel을 이용한 SWCNT 분리 40

4. 실험 결과 42

4-1. SWCNT 반도체성 잉크 특성 42

4-1-1. 반도체성 SWCNT 함량 분석 42

4-1-2. SWCNT 반도체 잉크 조성 및 polymer(PS) 함량비 배합 최적화 48

4-1-3. SWCNT 반도체 잉크를 이용한 박막트랜지스터 소자 특성 분석 51

4-2. 잉크젯 프린팅 방법에 의한 박막트랜지스터 특성 56

4-3. 스프레이 코팅 방법에 의한 박막트랜지스터 특성 62

4-4. SWCNT 분리 67

4-4-1. Column chromatography 방식으로 분리한 SWCNT 분석 67

4-4-2. Agarose gel로 분리한 SWCNT 분석 및 특성평가 71

5. 결론 80

6. 참고 문헌 82

Abstract 86

Appendix 88

표목차

Table 1. NMP에 분산된 SWCNT-polymer잉크의 전하이동도와 점멸비 60

Table 2. Column에서 분리한 시간에 따른 SWCNT의 금속성, 반도체의 함량비 70

Table 3. 아가로스 겔 원심분리 방법으로 SWCNT 분리 후 금속성, 반도체성 SWCNT 함량 75

부록표목차

Table 3. Agarose gel 원심분리 상층부와 하층부 UV-vis-nIR 측정 graph 93

그림목차

Fig. 1. 탄소나노튜브의 구조 17

Fig. 2. Graphene layer에서 말려서 나오는 단층벽 나노튜브의 형태를 가지는 모습 18

Fig. 3. 원자(n, m) 표기법을 사용한 graphene layer와, armchair, zigzag, chiral 탄소나노튜브의 모습 19

Fig. 4. 탄소나노튜브의 구조의 표기방법 22

Fig. 5. (5,5) armchair 구조 및 (b) (9,0) zig-zag 구조의 탄소나노튜브 단위 셀 23

Fig. 6. (6,3) 나노튜브의 단위 셀 표현방법 25

Fig. 7. TFT 소자에 대한 모식도 29

Fig. 8. 반도체성 SWCNT 잉크 제조 모식도 31

Fig. 9. 박막트렌지스터용 반도체 SWCNT잉크 사진 32

Fig. 10. 잉크젯 프린팅 장비 사진 34

Fig. 11. 반도체성 잉크의 Ink jetting 모습 35

Fig. 12. 잉크젯을 이용한 TFT 제작 모식도 36

Fig. 13. Column chromatography 분리 실험, glass bead에 silane SAM 처리 모식도 39

Fig. 14. π-plasmon 흡수밴드를 고려한 금속성/반도체성 SWCNT 구성비율 분석 방법 44

Fig. 15. UV-Vis-nIR을 이용한 금속성-SWCNT 성분비 계산 45

Fig. 16. 반도체성 SWCNT semiconducting ratio 와 purity 47

Fig. 17. SWCNT/PS(polystyrene) 질량비에 따른 TFT 특성 변화 50

Fig. 18. TFT 구조 및 구동 전류 특성 분석 52

Fig. 19. SWCNT-polymer 잉크로 제작한 박막트랜지스터 특성 데이터 53

Fig. 20. High mobility SWCNT(ASP-100F) TFT 특성 55

Fig. 21. 잉크젯 횟수에 따른 Channel 내의 단층벽 탄소나노튜브의 모습 57

Fig. 22. 잉크젯 횟수에 따른 박막트랜지스터 소재의 특성변화 58

Fig. 23. NMP에 분산된 SWCNT-polymer잉크의 TFT 특성변화 61

Fig. 24. 스프레이 코팅 시간에 따른 Channel 내의 단층벽 탄소나노튜브의 모습 64

Fig. 25. 스프레이 코팅 시간에 따른 TFT 소자의 transfer curve 특성 65

Fig. 26. PVP 분자량에 따른 TFT 소자의 특성변화 66

Fig. 27. Column분리한 시간에 따른 SWCNT의 금속성, 반도체성 함량 69

Fig. 28. 아가로스 겔을 이용한 SWCNT 분리 사진 74

Fig. 29. SDS 함량에 따른 SWCNT 분리 후 금속성, 반도체성 비율 76

Fig. 30. 아가로스 농도별, buffer용액 pH에 따른 SWCNT 분리 함량 77

Fig. 31. 아가로스 겔 분리방법을 이용한 반도체성 SWCNT잉크의 TFT 특성 78

Fig. 32. 아가로스 겔 분리방법을 이용한 반도체성 SWCNT잉크의 FE-SEM 사진 79

부록그림목차

Fig. 19. SWCNT-polymer(PS) Output characteristics 88

Fig. 19. SWCNT-polymer(PS) Transfer characteristics 88

Fig. 22. Ink-jet printing 3회 (SWCNT 잉크) 89

Fig. 23. NMP에 분산된 SWCNT-polymer 잉크의 TFT 특성변화 90

초록보기

본 논문에서는 단층벽 탄소나노튜브(SWCNT)의 반도체성 특성을 이용하여 SWCNT 분산용액을 박막트랜지스터의 활물질로 적용하는 연구를 진행하였다. SWCNT는 그 격자구조에 따라 반도체성 탄소나노튜브와 금속성 탄소나노튜브로 구분되는데, 일반적으로 탄소나노튜브 합성과정에서는 항상 혼재되어 합성된다.

SWCNT를 박막트랜지스터의 활성층에 적용하기 위해서는 SWCNT 코팅액의 반도체 특성을 극대화하고, 패터닝 과정에서 SWCNT의 뭉침 현상을 최소화 하는 것이 중요하다. 이를 위해서 탄소나노튜브를 용매에 잘 분산시키고 절연성 고분자 물질을 첨가하여 금속성 SWCNT 사이의 직접적인 전기적 연결을 통해 소스, 드레인 전극이 서로 단락되지 않도록 하는 것이 중요하다.

본 실험에 사용된 SWCNT 반도체 잉크는 수계와 비수계 용매로 만들었으며, 수계는 분산제인 sodium dodecylbenzenen sulfonate (SDBS)를 이용하여 SWCNT를 용매인 물에 분산하였고, 비수계 코팅액의 경우 NMP 용매에 SWCNT를 분산시켜 반도체 잉크를 제조하였다.

SWCNT 박막트랜지스터는 heavily doped silicon 게이트 전극, SiO₂(100nm)와 polyimide (100∼150 nm)의 이중막 구조의 절연막, shadow mask로 패터닝 된 Au소스/ 드레인 전극, SWCNT 활성층 (length(L) = 200 ㎛, width(W) = 4000 ㎛)으로 구성되었다.

NMP 용액에 분산제와 고분자를 첨가하지 않고 분산한 반도체성 잉크를 잉크젯 프린팅 방식을 적용하여 활물질층을 형성한 SWCNT 박막트랜지스터는 전하이동도(mobility) 0.57 ㎠/Vs, 점멸비(on/off ratio) 31.9의 특성을 보였고, 스프레이 방식의 경우에는 전하이동도 3.64 ㎠/Vs, 점멸비 10.4의 특성을 보였다. 스프레이 방식으로 코팅한 트랜지스터의 경우 SWCNT 코팅액 건조과정에서 SWCNT의 뭉침 현상이 발생하지 않았고 균일한 활성층이 형성되어 우수한 특성을 보였다.

SWCNT 박막트랜지스터의 추가적인 점멸비를 향상을 위해 SWCNT와 절연 물질인 PS(polystyrene)와 PVP(poly vinyl pyrrolidone)이 혼합된 반도체 잉크를 적용했는데, polystyrene의 경우 polystyrene함량이 증가할수록 전하이동도는 3.16 ㎠/Vs에서 0.01 ㎠/Vs로 감소하였고, 점멸비는 5 에서 100까지 증가하는 경향을 보였으며, SWCNT와 PS는 1:45 질량비의 잉크에서 전하이동도가 0.2∼0.3 ㎠/Vs, 점멸비가 50의 가장 우수한 박막트랜지스터 특성을 보였다. PVP(poly vinyl pyrrolidone)의 경우에도 SWCNT와 PVP가 1:25의 질량비(PVP의 분자량: 8000)에서 잉크젯 방식의 경우 전하이동도 0.78 ㎠/Vs, 점멸비 84.9의 특성, 스프레이 방식의 경우 전하이동도 4.6 ㎠/Vs, 점멸비 50.9의 가장 우수한 특성을 보였고 분자량에 민감한 거동을 나타내었다. 이는 PVP가 SWCNT를 wrapping하여 용매에 분산되기 때문에 분산성이 향상되고 금속성 SWCNT간의 직접적인 전기적 연결이 최대한 억제되었기 때문이다.

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